仇旻团队研发“冰刻2.0”三维微纳加工系统

2020-12-03本站

　　仇旻团队研发“冰刻2.0”三维微纳加工系统。实验室里往来穿梭的人，穿着密密实实的连体服，戴着口罩、头套、手套，除了眼睛曝露在外，连一丝头发都不能飘散在空中…… 这是位于云栖校区2号楼一楼的纳米光子学与仪器技术实验室，西湖大学最干净的地方之一——实验室采用正压设计，每一间都是超净室，不仅人不能随意进出，而且即使打开门，也要确保空气只能从实验室内部向外流动。纳米光子学与仪器技术实验室是做什么的？顾名思义，他们主要是在微米、纳米尺度上，探索光与物质的相互作用，研发新型光电子器件及其制造工艺。其中，有一项叫冰刻的技术，是他们的重点研究方向之一。相信大家小时候都看过美轮美奂的冰雕展，如果这样的冰雕是发生在仅有头发丝八分之一粗细的光纤末端，并且一次不止雕刻一件作品，而是百件以上呢？近两个月来，实验室负责人仇旻和他的研究团队在Nano Letters、Nanoscale、Applied Surface Science等期刊上，连续发表了一系列研究成果——在小到微米甚至纳米级别的冰雕上，他们已然游刃有余——从精确定位到精准控制雕刻力度，再到以冰雕为模具制作结构、加工器件，一套以wafer in, device out为目标的冰刻2.0三维微纳加工系统雏形初现。什么是冰刻如何用巧克力粉在奶油蛋糕表面洒出生日快乐四个字？你需要一片模具，模具上有镂空的生日快乐字样。巧克力粉透过模具洒落到蛋糕上，生日快乐四个字就出现了。类似的原理，也应用在传统的电子束光刻技术中（微纳加工的核心技术之一）。传统电子束光刻技术的关键步骤假设我们要在硅晶片上加工四个纳米尺度的金属字西湖大学，首先，我们需要将一种叫光刻胶的材料均匀地涂抹在晶片表面；用电子束（相当于肉眼看不见的雕刻刀）在真空环境中将西湖大学四个字写在光刻胶上，对应位置的光刻胶性质会发生变化；再用化学试剂洗去改性部分的胶，一片镂空的光刻胶模具就做好了；接下来便是将金属填进镂空位置，使之长在晶片表面；最后再用化学试剂将所有光刻胶清洗干净，去除废料后只留下金属字。可见，光刻胶是微纳加工过程中非常关键的材料。所以有人说，中国要制造芯片，光有光刻机还不够，还得打破国外对光刻胶的垄断。但这样的光刻胶有局限性。在样品上涂抹光刻胶，这是传统光刻加工的第一步。这个动作有点像摊鸡蛋饼，如果铁板不平整，饼就摊不好。同时，被抹胶的地方，面积不能太小，否则胶不容易摊开摊匀；材质不能过脆，否则容易破裂。仇旻实验室助理研究员赵鼎说。那么，把光刻胶变成水冰呢？《孙子兵法》中说：兵无常势，水无常形。零下140度左右的真空环境，能让水蒸气凝华成无定形冰。我们把样品放入真空设备后，先给样品降温再注入水蒸气，水蒸气就会在样品上凝华成薄薄的冰层。赵鼎说，光刻胶之所短恰恰是水之所长。无常形的水蒸气可以包裹任意形状的表面，哪怕是极小的样品也没有问题；水蒸气的轻若无物，也使得在脆弱材料上加工变成可能。对应光刻胶，他们给这层水冰起名冰胶，给冰胶参与的电子束光刻技术起名冰刻。实际上，一旦将光刻胶换成了冰胶，由于水的特殊性质，还能够极大地简化加工流程。当电子束打在冰层上，被打到的冰‘自行消失’，因为电子束将水分解气化，这样就能直接雕刻出冰模板，不需要像传统光刻那样用化学试剂清洗一遍来形成模具，从而规避了洗胶带来的污染，以及难以洗净的光刻胶残留导致良品率低等问题，赵鼎解释说。同样道理，光刻的最后一步，需要再次用化学试剂洗胶，而冰刻只需要让冰融化或升华成水蒸气即可，仿佛这层冰胶从来不曾存在过一样。应用冰胶的电子束光刻关键步骤冰刻2.0：从原材料到成品一气呵成 2012年，仇旻从瑞典皇家工学院回国任教后不久，就开启了冰刻研究计划。经过六年的努力，他和他的团队将冰刻从纸上谈兵变成现实，完成了国内首台冰刻系统的研发。来到西湖大学后，仇旻在国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目（自由申请类）的支持下，全力研发功能更加强大的冰刻系统2.0。他们希望改变传统电子束光刻繁琐的加工程序，创造出一套全流程一体化、自动化的微纳加工系统——从冰胶形成开始，到模具加工、材料生长、器件性能表征，一气呵成。冰刻系统2.0已在实验中雏形初现，中间圆型的中转舱是实现一站式的关键，样品每完成一个步骤，都将被送回到这里，再由机械臂将其送入下个步骤的操作间研究团队已经从多个维度入手，不断提升冰刻技术。例如，团队成员掌握了如何精准定位。想要有效雕刻冰胶，电子作用强度有一定要求，强度太弱冰胶不会消失。这让原本仅作为刻刀使用的电子束新增了定位器的功能。当加工多层式三维立体结构时，可以先用低强度的电子束（减少对冰层损坏）透过冰胶，观察并找到下层已经完成的结构；精确定位后再加大强度，正式开始镂空作业。这样一来，就不需要像使用光刻胶那样额外引入复杂昂贵的对准装置，能够轻易实现几十纳米的加工定位精度。仇旻实验室2019级博士研究生吴珊，找到了控制雕刻力度的方法。她通过实验发现，冰胶去除厚度与电子作用强度呈线性关系。也就是说，刻刀在冰上凿刻时，下刀的力越大，刻出的槽就越深，并且下刀的力度和槽的深度能直接按比例推算。而使用光刻胶，电子与胶厚之间的关系要复杂得多，电子束雕刻时力道控制的精准性和灵活性就会受到约束。在薄至300纳米的冰胶上刻画图案，图中最小的微型雪花直径仅1.4微米，所有比例尺长度均为1微米仇旻实验室访问学生洪宇和其他团队成员，则发现不费吹灰之力就可以清除加工废料。他们利用冰刻技术不仅在光纤端面（光纤头部的横截面），而且在光纤曲面（光纤身体表面）上加工制作出各种精巧的微纳结构。尤其在最后清除废料环节，他们发现样品在真空中从低温升回室温后，多余的金属材料自然卷曲并与样品分离，可以被轻易地吹除。图A所示的单模光纤端面上，加工同心圆结构及图BCD所示的结构，其中B图单个结构宽度200纳米，C图单个领结型结构中心间隔30纳米，D图单个圆环外径660纳米、宽度110纳米从冰层沉积开始到吹除废料结束，加工全程不涉及化学溶剂除此之外，利用冰在电子作用下与材料发生的独特反应，我们可以将只有一个原子层厚度的二维材料‘冰刻’成任意形状，通过人工构造的方式使材料产生奇特的性质。仇旻实验室2019级博士研究生姚光南目前正在开展这方面的研究。 Wafer in, device out.短短四个单词，形象地描绘出他们为冰刻2.0制定的远大目标——一进一出，送进去的是原材料，拿出来的是成品器件。仇旻说，从本质上讲，冰刻仍属于电子束光刻。但它作为一种绿色且温和的加工手段，尤其适用于非平面衬底或者易损柔性材料，甚至生物材料。复旦大学物理系主任、超构材料与超构表面专家周磊教授表示，这项工作对于研发集成度更高、功能性更强的光电器件具有重要的现实意义。‘冰刻’可以将光学前沿的超构表面与已经广泛应用的光纤有机结合，既给前者找到了合适的落地平台，又让后者焕发了新的生机。他说。痛并快乐着的寂寞舞者这是一群寂寞的冰上舞者。仇旻团队已在冰刻这块试验田深耕了八年。最初，他了解到哈佛大学的一支研究团队演示了面向生命科学领域的冰刻加工雏形，这给了他灵感，让他看到了这项技术在微纳加工领域的巨大潜力。这是一个无人区。仇旻用梦想的力量，感召了他回国后招收的第一批博士研究生之一赵鼎，他们决定一起来挑战这个课题。不做康庄大道上的跟随者，而是独辟蹊径闯出一条新路，我想这是多数科研工作者更愿意的选择。赵鼎说。仇旻和团队成员在调试冰刻系统2.0 冰刻原理简单明了，但是仪器的实现则异常艰辛。团队需要对原有的电子束光刻设备进行大量改造。赵鼎为之奋斗了五年。很多工作都是从零开始，比如注入水蒸气，说起来很简单，实际上经过了一次次实验，温度要多低、注入口和样品的距离要多远、注入量和速率要多大……都得一一验证。赵鼎毕业之后，师弟洪宇接力，为冰刻系统的研发绘制了几十稿设计图纸。因为没有现成的可以购买，多数情况下必须自己动手，他恶补了很多真空技术和热学方面的知识。而今，在国外完成两年博士后研究之后，赵鼎又回到仇旻实验室，继续这场冰刻长跑。事实上，全世界做冰刻的实验室，目前满打满算只有两个，一个在中国，一个在丹麦。显然，这不是一个热门的研究方向，且研发周期很长，想在这个课题上很快发文章并获得高引用很难。但这是一项令人激动的新技术。仇旻说，这样的探索，有可能带来很大的突破，也有可能什么都没有，但这正是基础研究的意义和乐趣所在。而当我们把视角放大到中国制造的背景下，在从制造业大国向制造业强国的转变中，对以微纳加工为代表的超精密加工的探索和创新，正是中国制造指向的未来。仇旻团队部分成员合影在仇旻团队最新发表的文章结尾，他们用一种非常科幻的方式展望了冰刻的未来。毫无疑问，未来围绕冰刻的研究，将聚焦于那些传统光刻能力无法企及的领域。受益于水这种物质得天独厚的生物相容性，在生物样本上冰刻光子波导或电子电路有望得以实现。而这将史无前例地提高人为干预生物样本的能力，同时开辟出全新的学科交叉和研究方向。南美的蝴蝶扇动一下翅膀，引来大西洋的一场飓风。谁说没有这样的可能性呢？（来源：西湖大学）相关论文信息： Direct electron-beam patterning of monolayer MoS2 with ice https://doi.org/10.1039/D0NR05948J Lithographic properties of amorphous solid water upon exposure to electrons https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148265 Solvent-Free Nanofabrication Based on Ice-Assisted Electron-Beam Lithography https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03809